郁欣

（安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會(huì)）水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000）

0 前言

超聲脈沖法是一種特殊的水利工程質(zhì)量檢測(cè)法，快速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)促使超聲脈沖法得到廣泛應(yīng)用，也為超聲脈沖法的發(fā)展帶來全新的考驗(yàn)?，F(xiàn)階段，國(guó)家水利工程領(lǐng)域的研究人員為進(jìn)一步探索超聲脈沖法的有效應(yīng)用策略，將其作為水利工程研究的重要課題，以此提高質(zhì)量檢測(cè)的水平。

1 超聲脈沖法檢測(cè)的基本原理

超聲脈沖法會(huì)產(chǎn)生機(jī)械波與電磁波兩種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式。其中，機(jī)械振動(dòng)引發(fā)彈性介質(zhì)產(chǎn)生波動(dòng)過程中出現(xiàn)的聲波，稱為機(jī)械波，聲波屬于機(jī)械波。當(dāng)聲波傳播到彈性介質(zhì)某處不動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)后，會(huì)使該處質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生動(dòng)能進(jìn)而形成位能。此外，彈性介質(zhì)中的聲波是逐層傳遞能量的，在諧波振動(dòng)下，可使用以下公式計(jì)算單位質(zhì)點(diǎn)能量。

其中：E-能量密度；ρ-介質(zhì)密度；A-振幅；ω-角頻率。

不在人們聽到聲波頻率范圍內(nèi)的聲波稱為超聲波，且超聲波屬于機(jī)械波，在介質(zhì)中進(jìn)行能量傳遞時(shí)，通過產(chǎn)生反射、干涉、衰減等現(xiàn)象來反映介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與本質(zhì)，使水利工程質(zhì)量檢測(cè)能夠?qū)炷凉こ?、金屬結(jié)構(gòu)以及機(jī)械電氣進(jìn)行檢測(cè)。因此，水利工程質(zhì)量檢測(cè)中的超聲脈沖是由不同頻率的余弦波組成的，進(jìn)而用來檢測(cè)被測(cè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與質(zhì)量。

2 水利工程質(zhì)量檢測(cè)中超聲脈沖法的應(yīng)用

2.1 金屬結(jié)構(gòu)檢測(cè)

2.1.1 鋼管壁厚度檢測(cè)

提升水利工程穩(wěn)定性與安全性的關(guān)鍵在于，能夠準(zhǔn)確測(cè)量出鋼管壁的厚度。通常情況下，水利工程中的引水管道屬于鋼材質(zhì)，在水流長(zhǎng)時(shí)間的沖磨作用下，其厚度以及性能會(huì)有所下降，導(dǎo)致水利工程穩(wěn)定性降低。因此，為獲得準(zhǔn)確的鋼管壁厚度數(shù)據(jù)，要求檢測(cè)人員利用超聲脈沖法對(duì)鋼管壁厚度進(jìn)行定期測(cè)量。在這一過程中，主要是利用超聲脈沖法尋找檢測(cè)鋼管壁厚度的最佳檢測(cè)點(diǎn)，因此降低質(zhì)量檢測(cè)難度，避免水利工程出現(xiàn)較大的安全隱患。此外，檢測(cè)人員可通過測(cè)量一側(cè)管道的外表面，推測(cè)鋼管的整體質(zhì)量情況，從而得到精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)[1]。

2.1.2 焊縫質(zhì)量檢測(cè)

水利工程中鋼結(jié)構(gòu)的尺寸與厚度相對(duì)較大，且外界的環(huán)境因素會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的焊縫工作造成一定影響。因此，為保證鋼結(jié)構(gòu)焊縫的水平，可采用超聲脈沖法對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，從而為水利工程的投入使用奠定良好的基礎(chǔ)。首先，檢測(cè)人員要綜合考慮影響金屬晶粒聲抗阻力的因素，以此減少實(shí)際工作中干擾因素。其次，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊縫中的細(xì)小缺陷使用超聲脈沖法，同時(shí)保證超聲設(shè)備的傾斜角度要符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。最后，在采用斜側(cè)法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可在夾縫中加入一些小砂礫，使設(shè)備發(fā)出的超聲波能夠穿過砂礫并達(dá)到夾縫的最深處。此外，應(yīng)重點(diǎn)檢測(cè)壓引力水管處的焊縫質(zhì)量，以此從根本上保證水利工程的質(zhì)量。運(yùn)用斜側(cè)法檢測(cè)混凝土焊縫質(zhì)量的原理如圖1 所示。

圖1 斜側(cè)法基本原理

2.2 混凝土工程檢測(cè)

在應(yīng)用超聲脈沖法開展水利工程質(zhì)量檢測(cè)工作時(shí)，對(duì)混凝土工程的檢測(cè)主要為材料強(qiáng)度檢測(cè)與混凝土缺陷檢測(cè)，其中混凝土缺陷檢測(cè)包括對(duì)混凝土裂縫以及表面損傷進(jìn)行檢測(cè)，從而測(cè)量出不同齡期、配合比、原材料等條件下的混凝土質(zhì)量，增強(qiáng)水利工程試件的可信度，以此提高水利工程的建設(shè)水平。

2.2.1 材料強(qiáng)度檢測(cè)

混凝土是水利工程中最主要的結(jié)構(gòu)材料，經(jīng)過配料、拌和、澆注、養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)形成可投入使用的試件。檢測(cè)混凝土材料強(qiáng)度中應(yīng)用超聲脈沖法，主要是混凝土介質(zhì)中超聲波的傳播速度以及混凝土彈性介質(zhì)之間的關(guān)系，并依據(jù)彈性模量、力學(xué)強(qiáng)度等數(shù)據(jù)建立起完善的數(shù)學(xué)模型，用來表示超聲波聲速與混凝土抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。與此同時(shí)，超聲設(shè)備還可測(cè)量出聲波在混凝土試件中的傳播時(shí)間，進(jìn)而推算出混凝土的強(qiáng)度。一般情況下，以齡期為28d 的混凝土立方試件作為材料強(qiáng)度檢測(cè)對(duì)象，并在綜合考慮材料種類、配合比、施工工藝等因素的基礎(chǔ)上，采用超聲脈沖法計(jì)算材料的強(qiáng)度。根據(jù)相關(guān)研究表示，不同配合比、材料種類的混凝土的抗壓強(qiáng)度值存在一定差異，利用超聲脈沖法能夠推定出增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的條件，且骨料品種、用料以及環(huán)境與混凝土強(qiáng)度能夠用統(tǒng)計(jì)方法建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，以此為超聲脈沖法檢測(cè)材料強(qiáng)度提供精準(zhǔn)依據(jù)。

2.2.2 混凝土缺陷檢測(cè)

原材料種類、配合比、施工工藝以及檢測(cè)距離與混凝土的密實(shí)度具有一定聯(lián)系。在應(yīng)用超聲脈沖法檢測(cè)混凝土缺陷時(shí)，一方面，要檢測(cè)混凝土是否存在影響較大的裂縫。當(dāng)超聲波在混凝土介質(zhì)傳播過程中，遇到蜂窩、空洞、裂縫等缺陷會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的反射以及散射現(xiàn)象。又由于混凝土的聲阻抗率遠(yuǎn)高于空氣，速率越快的聲波衰減得越快，此時(shí)需要根據(jù)《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》對(duì)缺陷等級(jí)進(jìn)行判定。當(dāng)混凝土缺陷處只有一個(gè)表面可供檢測(cè)，則要使用評(píng)測(cè)法檢測(cè)混凝土裂縫的深度。無缺陷混凝土以及超聲設(shè)備的探頭布置位置，會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成不同程度的影響，但幾者之間具有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，能夠通過相應(yīng)公式計(jì)算出裂縫深度。對(duì)穿斜側(cè)法會(huì)在裂縫部位有一對(duì)平行表面時(shí)使用，利用換能器逐點(diǎn)接收混凝土缺陷處的超聲波信號(hào)，超聲波會(huì)在達(dá)到混凝土表面處出現(xiàn)衰減，檢測(cè)人員根據(jù)檢測(cè)到的聲時(shí)、波幅、頻率等進(jìn)行裂縫深度的推算，從而為提高水利工程質(zhì)量奠定扎實(shí)基礎(chǔ)[2]。

另一方面，物理因素、化學(xué)因素會(huì)影響混凝土的表面結(jié)構(gòu)以及厚度檢測(cè)，通過檢測(cè)表面損傷層，可以有效判斷對(duì)混凝土質(zhì)量的影響。首先，保證超聲設(shè)備的換能器穩(wěn)定在混凝土的待檢測(cè)表面上；其次，將測(cè)試距離按照100mm、150mm、200mm 進(jìn)行移動(dòng)，并根據(jù)實(shí)際要求對(duì)測(cè)試距離進(jìn)行一定調(diào)整。在測(cè)試距離較大的情況下，檢測(cè)結(jié)果反映的是超聲波在未損傷混凝土中的傳播速度，會(huì)使最終分析結(jié)果存在偏差。因此，要控制距離在規(guī)范測(cè)試距離范圍內(nèi)，從而保證超聲波能夠在損傷的混凝土中傳播。當(dāng)未損傷層的超聲脈沖波與損傷層脈沖波一同到達(dá)設(shè)備接收器時(shí)，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公式進(jìn)行計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土質(zhì)量的判定。此外，在判斷水利工程樁體的均勻性與穩(wěn)定性時(shí)，同樣可使用超聲脈沖法，根據(jù)移動(dòng)探頭接收到的聲波傳播時(shí)長(zhǎng)、頻率、波幅等數(shù)據(jù)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土強(qiáng)度的準(zhǔn)確判斷。

2.3 機(jī)械電氣檢測(cè)

利用超聲脈沖法進(jìn)行機(jī)械電氣檢測(cè)，主要是對(duì)水利工程中的泵站、水電站、排灌站等地點(diǎn)的流量、流速進(jìn)行檢測(cè)。在開展現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)工作時(shí)，使用可攜帶的超聲設(shè)備檢測(cè)站點(diǎn)的渠道、輸水管道處的流量與流速。值得注意的是，渠底換能器聲路與水流的夾角不應(yīng)大于45°～60°，以此保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確；選擇的檢測(cè)地點(diǎn)不應(yīng)出現(xiàn)大石塊、水草等干擾超聲脈沖法正常使用的物體，且安防經(jīng)緯儀以及其他超聲設(shè)備的地點(diǎn)應(yīng)相對(duì)平整，從而提升測(cè)量的精準(zhǔn)性；為避免從渠底處傳出聲波，則應(yīng)保證渠底換能器間隔一小段距離；換能器的探頭間距應(yīng)根據(jù)渠內(nèi)水面高度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以此保證超聲脈沖法能夠準(zhǔn)確測(cè)量渠道以及大流量管道處的流速。此外，在檢測(cè)流量與流速時(shí)，需要根據(jù)管道尺寸計(jì)算換能器之間的夾角，同時(shí)保證檢測(cè)地點(diǎn)處管道的完整性。此時(shí)應(yīng)注意，必須將超聲檢測(cè)所用的介質(zhì)充滿測(cè)量的管道，并選直管道作為檢測(cè)的重要地點(diǎn)，同時(shí)選擇在10 倍管徑的上游管段或是3 倍管徑的下游管段進(jìn)行檢測(cè)，避免產(chǎn)生影響檢測(cè)的氣泡；鉗裝的角度與尺寸要符合超聲脈沖法檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，避免影響結(jié)果的精準(zhǔn)性，中心角度宜為45°～75°。測(cè)量管道流量與流速中超聲脈沖法的應(yīng)用原理如圖2 所示[3]。

圖2 管道測(cè)流中超聲脈沖法應(yīng)用

3 結(jié)論

綜上所述，超聲脈沖法是當(dāng)前水利工程中具有良好應(yīng)用前景的質(zhì)量檢測(cè)方法，通過對(duì)金屬結(jié)構(gòu)、混凝土工程、機(jī)械電氣三方面的檢測(cè)，能夠有效提高水利工程的建設(shè)水平。因此，相關(guān)企業(yè)還應(yīng)在原有的技術(shù)基礎(chǔ)上，積極創(chuàng)新研究與試驗(yàn)方法，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)超聲脈沖法的具體應(yīng)用策略進(jìn)行總結(jié)，從而推動(dòng)水利工程質(zhì)量檢測(cè)可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程。